雷士照明LED基础以及运用(课堂PPT).ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,LED基础及运用,1,什么是LED,2,什么是LED-LED发光原理,LED：light emitting diode-发光二极管,。,LED自发性的发光是由于电子与空穴的复合而产生的。,当LED两端加上正向电压，电流从LED阳极流向阴极时，,电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。,如下图，在电动势的作用下，电子对从能量高的能级跳跃到能量低的空穴，据能量守恒，多余的能量以光和热的形式释放出。,3,LED光源的优点,传统照明光源,白炽灯,卤素光源,荧光光源,气体放电光源,发光二极管(LED),长寿命,能源转换效率高,数字化调光调色,体积小,(,设计自由度高,),方向性光源,固态光源,/,抗震性强,启动迅速,无红外,/,紫外光线,低电压,不含汞,/,水银,Less,Weight,Lifetime Reliability,Recycling,and,Disposal,Energy,Consumption,Hazardous,Substances,4,LED产品产业链,半导体行业,上游外延片芯片,中游封装,下游应用,衬底材料：蓝宝石、Sic、Si,金属有机源：三甲基镓、二乙基铟,高纯气体：氨气、氢气,MOCVD材料生长工艺,芯片制备工艺,芯片封装工艺,LED外延片,LED芯片,LED封装,荧光粉、金线,硅胶、环氧树脂,支架、其他配件,配套件,背光源产品,指示/显示,信号,汽车灯,城市景观亮化,照明领域,手机、数码相机/相框等便携电子产品，监视器/液晶彩电/电脑/人机界面,显示牌、银行。证券、机场、车站、体育场、广场显示屏,道路信号灯、机场信号灯、铁路信号灯、航标灯,仪表盘灯、刹车灯、尾灯、牌照灯、阅读灯、转弯灯、前照灯等,地埋灯、水底灯、草坪灯、庭院灯、灯箱、广告字、投光灯、泛光灯、点光源、灯条,重点照明灯具、筒灯、杯灯、壁灯、防爆灯、路灯、隧道灯,SSL照明系统/工程,LED灯具,基础材料行业,5,LED灯具系统概念,LED灯具,光与色,光源 二次光学,散热,电源,外观、结构,考核：认证、测试,6,光与色-LED光源分类,SMD,：,它是Surface Mounted Devices的缩写，意为：表面贴装器件，它是SMT(Surface Mount Technology 中文:表面黏著技术）元器件中的一种，,可以进行回流焊，适合于自动化大规模生产,小功率LED一般为单颗0.2W以下，常见的有 3528/3014/5050,中功率LED,一般为单颗0.2W0.5W，常见的有5630/2323/3030,7,功率型LED,一般为单颗1W以上，典型驱动电流多为350mA，比如Cree XP-E最大驱动电流可以1000mA，XP-G最大驱动电流可以达到1500mA，而XM-L最大驱动电流则可以3000mA。,光与色-LED光源分类,8,COB:,将多个芯片高密度地集成在一起封装而成的功率型LED。可以获得较高的光通量，可以获得比较好的颜色一致性，不需要SMT贴片和回流焊焊接，尺寸较小，灯具外观设计变得容易。,光与色-LED光源分类,9,光与色-LED基础参数,波长(Wavelength,),光是一种电磁波,波长决定光的颜色,可见光的波段从紫光,(,约,380nm),到红光,(780nm),不可见光的波长,*,红外线长于,780nm,*,紫外线短于,380nm,可見光,380-7,80,nm,x-射线,微波,紫外线,100-380,nm,紅外,线,7,80-1,000,000nm,10,光与色-LED基础参数,I-V,特性,具有非线性、整流性质：单向导电性，即外加正偏压表现低接触电,阻，反之为高接触电阻。,正向电压（,VF):,通过发光二极管的正向电流为确定值时，在两极间,产生的电压降。,反向电流,(IR):,加在发光二极管两端的反向电压为确定值时，流过,LED,的电流。,11,光与色-LED基础参数,光通量:,通过发光二极管的正向电流为规定值时，,一光源所发射并,被人眼感知之所有辐射能称之为光通量。,单位:流明(lm),发光强度:,光源在单位立体角内发射的光（或辐射）通量。,I=d/d。单位:砍德拉（cd）,照度:,照度是用来说明被照面上被照射的程度。,E,=d/dA。,单位：勒克斯（lx）,亮度:,亮度也是用来表示物体表面发光强弱的物理量，被视物体发光面,在视线方向上的发光强度与发光面在垂直于该方向上的投影面积的,比值，称为发光面的表面亮度，单位为坎德拉每平方米（cd/m2）。,12,光与色-LED基础参数,色温:,当光源所发出的光的颜色与黑体在某一温度下辐射的颜色相同时,黑体的温度称为该光源的颜色温度。,黑体是内部中空开一小孔的球体，单位为开尔文（K),例如:,2700K 烛光色,3000K 暖白色,3500K 白色,4000K 冷白色,5000K 日光色,6500K 冷日光色,13,光与色-LED基础参数,相关色温:,对于某些光源发射的光（比如气体放电灯和LED)的颜色和,各种温度下的黑体辐射的颜色不完全相同(色坐标有差别).若光源发射,的光与黑体在某一温度下辐射的光颜色最接近,则黑体的温度称为该,光源的,相关色温。,关于相关色温，标同一色温的光源，处在色温直线的不同位置，其颜,色不一样，给人们选择光源带来很大的问题（颜色一致性差）。,偏黄绿方向,偏蓝绿方向,偏黄方向,偏红方向,14,光与色-LED基础参数,显示指数:,光源对物体本身颜色呈现的程度称为显色性,也就是颜色逼,真的程度.显色性高的光源对颜色表现较好,我们所见到的颜色也就接,近自然原色,显色性低的光源对颜色表现较差。,15,光与色-LED基础参数,色坐标:,白光分色按右图,分X,Y值,而其它颜色光,按波长来分.,同一相关色,温组成一条直线，与黑,体轨迹相交，此直线上,任何一点的相关色温等,于交点的黑体色温。,每一个不同的色坐标点,有不同的颜色表征,CIE1931 色度图,16,光与色-LED白光的产生,加色原理,红+绿+蓝=白,蓝+黄=白,红+青=白,绿+品红=白,17,光与色-LED白光的产生,RGB,三种,LED,波长匹配混光,蓝光,LED,加黄色荧光粉,18,光与色-LED白光的产生,几种常见的光谱分布-,现阶段主流技术路线的白光LED光谱不连续,图1.太阳光光谱图,图2.白炽灯光谱,图3.紧凑型荧光灯CFL光谱,图4.RGB混光LED灯光谱,图5.InGaN LED激发黄色荧光粉白光光谱,19,光与色-LED光源相关特性解读,LED基本尺寸-以Cree XB-D为例（2525）,光分布-朗勃型光分布,20,光与色-LED光源相关特性解读,LED电性能参数,Tj 85参数,Tj：PN结的温度,21,光与色-LED光源相关特性解读,LED结温与光通量,关系图,Tj 85参数,LED正向电流与,光通量关系图,Tj 85参数,22,光与色-LED光源相关特性解读,LED Tsp与色坐标,漂移关系图,If 350mA参数,LED正向电流与色,坐标漂移关系图,Tj 85参数,23,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-亮度Bin,24,光与色-LED光源相关特性解读,LED光源分Bin-VF Bin,以Philips Rebel ES为例,Cree公司不区分VF Bin,LED光源分Bin-Color Bin,以Cree XB-D为例,Tj 85参数,25,光与色-颜色一致性,如下图，以3000K为例，在ANSI要求的区域内（约7 SDCM)分成16个不同的,小Color Bin，每一个小Bin内的颜色一致性相对较好（约2 SDCM)，但是不同,的Bin区之间的颜色差异性比较大。,26,光与色-颜色一致性,3000K,色温分bin图,色差图A2,色差图B4,色差图C2,我们以3000K色温为例，挑选其中的三个bin进行光色,的对比，三个bin分别为A2、B4和C2，所使用的灯具,为雷士TLED301A 30W-3000K/15导轨射灯。此款,灯具的功率为30W，色温为3000K，光束角为15度。,27,光与色-颜色一致性,色容差,：,用麦克亚当椭圆（Mac Adam Eclipse）来限定颜色区域是比,较普遍的做法。如对荧光灯，美国的Ansi C78.376-2001标准要求是,各个色温不能超过4步的麦克亚当椭圆（4-Step Mac Adam Ellipse或,4 SDCM）。IEC标准相对而言较宽，为5 SDCM。,1 SDCM,2 SDCM,3 SDCM,4 SDCM,5 SDCM,麦克亚当椭圆,28,光与色-颜色一致性,MacAdam实验：制造一个装置，让受过训练的观察者在亮度为恒定的,48cd/m2下辨别两个不同的颜色。其中一个颜色是不变的，另外一个有,细微分别的颜色是变化的。要求观察者对颜色进行分辨。这个实验在色,空间中选用25个点。结果发现，人眼对颜色的分辨是落在CIE 1931色,度图中的一个个椭圆中。,29,光与色-颜色一致性,对LED室内照明的灯具，目前最为通用的标准是Ansi C78.337-2008。其范围是沿黑体曲线将颜色分为8个四边形。如图所示，每个四边形大约与7 SDCM相近，略大于7 SDCM。,30,光与色-颜色一致性,在CIE 1931色度图中，离开黑体曲线，向任何一个方向偏离，颜色都会有相应的变化。人眼可以明显感觉出处于7 SDCM范围内远离的两点的颜色的不同。较为理想的情况，是将颜色控制在3 SDCM，在建筑的装饰照明，为了保证颜色一致性，甚至要求2 SDCM。,1 SDCM,：人眼刚能感,觉到色差（,50%,观察者,觉察，,50%,没有察觉）,2 SDCM,：,90%,观察者,在白色背 景下能看到,色差,4 SDCM,：在非白色的,背景下，色差不明显,31,光与色-颜色一致性,色容差的计算：,K：代表步数，比如7SDCM 代表 7步色容差,x，y：代表x值与y值与中心点的差。,G11，G12，G22：代表光色范围的常数,注：表中G11，G12，G22需各乘以10的4次方,32,光与色-颜色一致性,对于LED产品的色容差计算，需要将上表中的中心点（CFL)更换如下表,中不同色温所对应的中心点，目前的积分球的色容差中心点定义基本都,按照CFL的中心点设置，所以积分球所测试出来的色容差仅供参考，准,确的LED色容差可根据能源之星定义的中心点和上述公式计算。,33,光与色-颜色一致性,对室内照明应用，,Ansi C78.337-2008定义得,还不够严格！,34,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,由上述的资料可以看出，,Ansi C78.337-2008所要求的色容差略大于7,SDCM，其色差是相对明显的，如上面看到的301的导轨射灯所用不同,的3个不同的Bin的LED所表现出来的色差非常明显。以3000K XP-E为,例，我们选用其中的9个Bin区混合使用，以此来得到较好的一致性。,混Bin的原理与RGB混Bin产生白光的原理一样，我们也可以用不同颜色表征的白光相互混合使用，混Bin就是使用色坐标的数学相对迭加的原理。,如左图，对于3颗光源的灯具，我们采用A3/B2/C1的混Bin方案，首现A3和C1相迭加得到如图粉色的坐标点，然后粉色的坐标点再与B2相迭加，由于粉色坐标的权重为B2的两倍，则最终迭加得到的红色的坐标点更靠近粉色的坐标点。,35,光与色-混Bin技术得到好的颜色一致性,以公司301导轨射灯为例，灯具为15PCS XPE光源，我们采用5倍的3合,一的方案进行混Bin，为了出光面的颜色也相对一致，我们选用了16个,色温Bin中的9个Bin区组合了8个混Bin方案，获得很好的颜色一致性。,36,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透镜,透镜,反射器,混光腔,小角度照明产品内应用,可设计出不同配光方式,材料多为,PMMA,或者,PC,PMMA,效率比,PC,略高,用于大角度照明产品,配光以轴对称性为主,较难控制配光,多为铝旋压或者塑胶镀银,角度与反射器的深度与出光,面大小有较大关系,眩光小,可用于多色混光,多用于筒灯产品,出光面的均匀度与,混光腔的深度和反,射面的斜度有较大,关系,37,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,折射定律,全反射定律,几何光学三大定律,光的直线传播定律：光在均匀媒质里沿直线传播,光的反射定律和折射定律（Snell定律）,38,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,全反射式透镜：,多用于射灯、天花灯产品,LED配光,TIR透镜,透镜配光,在透镜出光面上增加珠面：,防止出现芯片镜像,效率降低2-3%,角度将略有增加,出光更加均匀、光斑效果更好,39,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,透射,式透镜：,投射式透镜利用光线折射原理改变LED中间光强的出射角度，达到,改变配光，出射均匀的目的。,透镜效率90%,主要应用在如路灯，室内基础照明灯具等需要大角度配光的场合,LED配光,投射式透镜,透镜配光,40,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,反射杯,：,反射器在传统灯具中也广泛应用，根据配光要求一般为双曲线或者,自由曲面形式,因为反射器无法控制LED中心的光线，所以反射器光线控制能力较弱,效率较高92%,LED配光,反射器,配光,41,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,混光腔,：,合理的混光腔能够取得较柔和的出光效果,出光面的颜色一致性较好,可以克服多颗光源的重影现象,无眩光的现象,42,光与色-LED 灯具二次光学实现手段,光学元件设计与仿真,43,LED散热-控制结温的重要性,LED结温直接影响LED的寿命，从,下图可以看出，结温升高10度，,LED寿命(L70)约降低一半，且随着,结温的增加，LED的光输出也相对,应的下降。,44,LED光源,MCPCB,散热器表面,通过导热介质,自然对流换热，散热片表面热量与空气进行热交换,辐射换热，灯体表面与周围环境进行辐射换热,LED散热-LED的散热通道,散热器表面,散热器表面,LED结温无法通过实际测试侦测出来。,Tj=Tsp+Rjc*Power,Tsp:LED焊点温度,可以实际测试出来,Rjc：光源规格书会提供,Power:功率(Vf*If),45,LED散热-热量传递的三种基本方式,热量的传递有三种基本方式：导热、对流和辐射。它们可以单独出,现，也可能是两种或三种形式同时出现。,凡是有温差的地方就有热量的传递。,热量传递的两个基本规律：热量从高温区流向低温区；高温区发出,的热量必定等于低温区吸收的热量。,在稳态条件下，存在着热平衡。符合能量守恒定律。,传导 对流 辐射,46,热传导,1.气体导热是由气体分子不规则运动时相互碰撞的结果；金属导体的导热主要是靠自由电子的运动来完成。非导电固体的导热是通过晶格结构的振动实现的；液体中的导热机理主要靠弹簧波的作用。,2.导热基本定律是傅立叶定律：在纯导热中，单位时间内通过给定面积的热流量，正比于该垂直于导热方向的截面面积的温度变化率。,:热流量,W,:导热系数，W/(m.),A:导热方向上的截面面积，,:X方向的温度变化率，,负号表示热量传递方向与温度梯度的方向相反,LED散热-热量传递的三种基本方式,47,对流,对流是指流体各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程。对流仅发生在流体中,且伴随着有导热现象.流体流过某物体表面时所发生的热交换过程,称为对流换热.,牛顿冷却公式(如右图):,:热流量,W,hc:对流换热系数，W/(m2.),A:对流换热面积，m2,:热表面温度，,:冷却流体温度,LED散热-热量传递的三种基本方式,48,辐射,物体以电磁波形式传递能量的过程称为热辐射.辐射能在真空中传递能量,且有能量形式的转换,即热能转换为辐射能及从辐射能转换成热能。任意物体的辐射能力表示为:,:热流量,W,:物体的黑度,:斯蒂芬-玻尔兹曼常数，,A:辐射表面积，,T:物体表面的热力学温度,K.,LED散热-热量传递的三种基本方式,49,边界层,：流动边界层,：滞流内层,：过渡缓冲层,有:,由于对流传热是在流体流动过程中发生的热,量传递现象，而且流体流动过程中又与固体,壁面接触，流体流经固体壁面时，形成流动,边界层，靠近壁面处总有一层滞流内层存在。,在此薄层内流体质点是沿壁面成平行运动的,而互不相混的滞流流动。无论是热流体把热,量传递给壁面，还是壁面把热量传递给流经,它的冷流体，都必然要通过滞流内层。而在,滞流内层中，层与层的流体不发生径向的相,互位移，无任何宏观的混合。热量仅能通过,传导传热的方式通过滞流内层。由于流体的,导热系数小，故滞流内层的热阻大，通过滞,流内层的温度急剧下降。此外在滞流内层和,湍流主体流之间存在一个温度逐渐变化的区,域称为过渡缓冲层。,LED散热-热量传递的三种基本方式,50,减小接触热阻,：,a.,确保,MCPCB,与散热片贴合平面的平面度；,b.,MCPCB,与散热片之间需要有导热界面材料；,c.,热导系数好的界,面导热材料；,d.,界面导热材料必须承受一定的压力,LED散热-散热设计注意事项,2.减小扩散热阻,3.通畅的气流路径,51,LED散热-常用材料的导热系数,52,LED散热-常用材料和相关生产制程,压铸,导热塑料,铝挤,陶瓷,冲压,热管,53,52,55,56,57,58,53,60,Right view,Top view,Top view,Right view,翅间距、翅片长度、翅片高度,流动边界层,LED散热-散热仿真,常用软件：Icepak EFD,54,LED散热-LED光源寿命推算,仿真时使用灯具的最高使用温度，根据仿真出来的Tsp温度和LED的驱动电,流，然后参考光源的LM-80报告来判断光源的L70寿命。,举例，使用Cree XT-E光源，驱动电流为700mA，仿真的Tsp温度为80，,则可以判断其光源寿命大于50000小时。,55,LED电源-驱动原理,电源参数：,输入电压/电流,输出电压/电流,功率因数,开路电压,电源效率,恒流精度,使用温度,EMI,纹波,谐波,耐压,56,LED电源-驱动原理,57,LED电源-驱动原理,58,LED电源-驱动原理,59,LED灯具测试,光电色参数,测试设备：积分球,光通量,辐射通量,光效,色温/色坐标,显色指数,60,LED灯具测试,光分布测试,测试设备：光度分布计,极坐标光分布,直角坐标光分布,61,LED灯具测试,光分布测试,测试设备：光度分布计,62,LED灯具测试,光分布测试,测试设备：光度分布计,63,LED灯具测试,光分布测试,测试设备：光度分布计,64,LED灯具测试,能源执行关于色温与色漂移的要求,65,LED灯具测试,能源执行关于显色指数与功率因数的要求,66,LED灯具测试,能源执行关于光效的要求,非标准灯具、非定向灯具,定向灯具,装饰性灯具,67,LED灯具测试,能源之星关于流明维持率和加速老化测试的要求,装饰性灯具在25环境温度下测试,68,LED灯具测试,能源之星关于流明维持率测试时间与灯具寿命,69,Product manage centre,争行业第一 创世界品牌,70,